TEMA: Konseptuelt Flytskjema for Benzen-produksjon fra Toluen. Løsningsforslag:

Transkript

1 Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet Fag: Energi og Prosess Institutt for Energi og Prosessteknikk Nr.: TEP 4230 Trondheim, , T. Gundersen Del: Produksjonssystemer Øving: 5 År: 2003 Veiledes: Innlevering: ikke TEMA: Konseptuelt Flytskjema for Benzen-produksjon fra Toluen Løsningsforslag: 1) Å fjerne metan (CH 4 ) fra hydrogen ( ) i gassføden til denne prosessen er svært kostbart, da kondensering av metan (atmosfærisk kokepunkt på 112 K eller -161 C) krever svært lave temperaturer. Dessuten er metan et biprodukt fra hovedreaksjonen hvor benzen dannes, slik at konklusjonen er at vi ikke fjerner metan før reaktoren. Det er således heller ikke sett på muligheten for å skille metan og hydrogen vha. membraner. 2) Oppgaven kan løses numerisk ved iterasjon eller analytisk. Den numeriske iterasjon (her utført ved prøving og feiling) gir som følger: Oms.grad (X) Selektivitet (S) Utbytte (Y) Status høy X lav X lav X lav X høy X Greit! Analytisk løsning av uttrykket S = f(x) som er gitt i oppgaveteksten (e) gir følgende: X = 1 - exp { [ ln ln (1 S) ] / 1.544} Innsatt S = 0.95 gir dette uttrykket X = eller 81.8%. Av tabellen over ser vi at maksimalt utbytte Y = X S trenger ytterligere iterasjoner. Følgende gjelder: X = 0.91 gir S = og dermed Y = 0.775, X = 0.89 gir S = og dermed Y = 0.793, X = 0.88 gir S = og dermed Y = 0.796, X = gir S = og dermed Y = 0.797, og til slutt X = 0.87 gir S = og dermed Y = Det kan således konkluderes at maksimalt utbytte oppnås ved en omsetningsgrad på omlag 87%, med en selektivitet på omlag 92% og et utbytte på omlag 80%. Maksimalt utbytte kan også finnes analytisk ved derivasjon av relasjonen mellom X og S og dermed finne maksimumspunktet for Y = X S. 3) Ettersom metan er en urenhet i gassføden, samt et biprodukt fra hovedreaksjonen vil metan være endel av gass-strømmen ut av reaktor. Da metan er svært flyktig vil denne komponenten følge det ennå mer flyktige hydrogenet (ureagert råvare) gjennom det etterfølgende separasjons-systemet. Ettersom det (som argumentert i punkt 1) er svært kostbart å skille metan og hydrogen vil løsningen være å ha en såkalt purge-strøm. Dette innebærer at det for strømmen med flyktige komponenter etter separasjons-systemet arrangeres en enkel strøm-forgrening hvor den ene grenen er purge, mens den andre grenen er resirkulering til reaktor. Side 1 av 6

2 4) Et enkelt blokkskjema for prosessen på basis av konklusjonene så langt er vist på neste side. 5) Ettersom vi ikke taper noe toluen i produktstrømmene (benzen og diphenyl) som følge av antakelsen om ideelt separasjons-system må omsatt toluen i reaktor være lik frisk føde toluen til prosessen. Benytter uttrykket for selektivitet (oppgaveteksten, punkt e): S Benzen produsert / Toluen omsatt = P B / F FT Dette gir som resultat: F FT = P B / S = / 0.95 = kmol/time Omsatt toluen som ikke blir til benzen ender opp som diphenyl (disse tre komponentene utgjør aromatene i systemet). Produsert mengde diphenyl blir dermed (når vi tar hensyn til støkiometrien ved at to benzen blir til ett diphenyl): P D = ½ (F FT - P B ) = ½ ( ) = 6.75 kmol/time Purge P G R G F G F FT Toluen Reaktor Separasjons System Bensen P B R T Toluen Diphenyl P D Mengde purge-gass (P G ) og resirkulert gass (R G ) finnes ved å sette opp to likninger med to ukjente, nemlig molbalansene for hydrogen og metan, samt å benytte opplysningen om at det er 40 mol% hydrogen i purge (oppgavetekst, punkt 5). Molbalansen for hydrogen er basert på: Inn + Dannet = Omsatt + Tapt i Purge Hydrogen omsettes i reaksjon (1) i takt med omsetningen av toluen (som er lik frisk føde toluen) og dannes i reaksjon (2) i takt med diphenyl. Innsatt gir dette: 0.95 F G + P D = F FT P G Molbalansen for metan er tilsvarende basert på: Inn + Dannet = Tapt i Purge Side 2 av 6

3 Metan dannes i reaksjon (1) i takt med omsetningen av toluen (som er lik frisk føde toluen). Innsatt gir dette: 0.05 F G + F FT = 0.6 P G Setter vi inn for de kjente størrelsene (F FT = og P D = 6.75) gir dette purgegassmengde P G = kmol/time og fødegass-mengde F G = kmol/time. Resirkulert mengde toluen finnes fra omsetningsgraden i reaktoren (X = 81.8%) samt konklusjonen om at omsatt toluen må være lik frisk føde toluen. Total fødemengde toluen til reaktor (F T ) er lik frisk føde toluen (F FT ) pluss resirkulert mengde toluen (R T ). Av dette skal altså 81.8% omsettes og igjen være lik frisk føde toluen: (F FT + R T ) = F FT Innsatt for frisk føde toluen gir dette resirkulert mengde toluen R T = kmol/time. Resirkulert mengde gass finnes fra kravet til hydrogen/aromat-forhold inn på reaktoren: ( / Aromat ) inn 5.0 Setter dette forholdet til å være lik 5.0 samt innser at det kun er toluen som er aromatisk komponent inn på reaktor. Uttrykket over blir derfor: ( 0.95 F G R G ) / ( F FT + R T ) = 5.0 Innsatt for kjente størrelser (F G = , F FT = og R T = 60.05) gir dette mengde resirkulert gass, R G = kmol/hr, altså en formidabel resirkulasjonsstrøm! I prosesser med purge-strøm blir ofte resirkuleringen stor for å hindre tap av råvare i purge-strømmen. For den aktuelle prosessen er det imidlertid i første rekke kravet til hydrogen/aromat-forhold som presser opp resirkuleringen. 6) Hensikten med purge-strømmen er (i denne prosessen) å sørge for at metan slipper ut av prosessen. For å hindre akkumulering av metan i resirkuleringen må mengde metan i purgestrømmen være lik summen av metan som kommer inn med fødegassen og mengde metan som dannes i reaksjon (1). Dette er inkludert i våre beregninger gjennom molbalansen for metan, men kan sjekkes her: Inn med føde pluss dannet i reaksjon (1): 0.05 F G + F FT = kmol/time. Ut med purge-strømmen: 0.6 P G = kmol/time Total purge-strøm er beregnet til kmol/time, altså tapes det kmol/time av råvaren hydrogen. Reduseres total purge-mengde vil tapt hydrogen bli redusert, ettersom mengde metan i purgestrømmen vil (må!) være konstant. Dette kan bare oppnås ved å øke resirkulasjons-strømmen slik at metan-fraksjonen i purge og resirkulering øker. Benytter vi Y PH for å beskrive fraksjon hydrogen i purge-strømmen har vi følgende: Metan som må slippe ut av prosessen: (1 - Y PH ) P G = konstant = kmol/time Side 3 av 6

4 Når purgemengde går ned vil (må!) metan-fraksjonen (1 - Y PH ) gå opp. Dette innebærer at hydrogenfraksjonen (Y PH ) går ned, og dette påvirker uttrykket som ble benyttet for å beregne mengde gass som resirkuleres (R G ): ( 0.95 F G R G ) / ( F FT + R T ) = 5.0 Erstatter vi 0.4 med Y PH innser vi at redusert Y PH må føre til økt R G. 7) Molare strømmer inn på reaktoren: Hydrogen: 0.95 F G R G = kmol/time Metan: 0.05 F G R G = Benzen: = 0.00 Toluen: F FT + R T = Diphenyl: = 0.00 Molare strømmer ut av reaktoren: Hydrogen: 0.4 (R G + P G ) = kmol/time Metan: 0.6 (R G + P G ) = Benzen: P B = Toluen: R T = Diphenyl: P D = ) Den totale reaksjonslikningen fåes ved å se på netto forbruk og produksjon av de ulike komponentene gjennom reaktoren: eller ( ) + ( ) Toluen = Benzen + ( ) CH Diphenyl Toluen = Benzen CH Diphenyl Dette gir følgende uttrykk for standard reaksjonsvarme (, betyr 1000,. betyr desimal): H r 0 H r 0 = ( 83) (Benzen) (-75) (Metan) (182) (Diphenyl) (0) (Hydrogen) (50) (Toluen) = - 11, (kmol/time) (kj/mol) = - 11, MJ/time = - 11, (MJ/time) / 3600 (sek/time) = MW eller H r 0 = (kw) / (kmol Benzen/time) = kwh / kmol Benzen Side 4 av 6

5 Dette er altså en eksoterm reaktor (omsetter kjemisk energi til termisk energi). 9) På grunn av det store spranget i kokepunkter mellom hydrogen/metan og de tre aromatiske komponentene er det overveiende sannsynlig at en enkel flash-separator vil fungere bra. Dermed unngår vi å kondensere metan som er svært kostbart. De tre aromat-komponentene separeres deretter i to destillasjonskolonner. Fødestrømmen til separasjons-systemet er karakterisert ved følgende: Komponent- Kokepunkt Mengde navn T B (K) (kmol/time) Hydrogen Metan Benzen Toluen Diphenyl Da det er svært lite diphenyl velges det å separere Benzen fra Toluen (og Diphenyl) først, og deretter separere Toluen fra Diphenyl. Det konseptuelle flytskjemaet for prosessen blir derfor som antydet i figuren under: Purge P G R G F G F FT Toluen Reaktor Flash Bensen P B R T Toluen P D Diphenyl 10) De sentrale energibehovene i dette prosessanlegget vil være som følger: Side 5 av 6

6 Oppvarming: a) Fødegassen må varmes opp fra 40ºC til reaktor-temperatur 600ºC b) Frisk føde toluen må tilsvarende varmes opp fra 20ºC til 600ºC c) Resirkulert gass må varmes opp fra kompressor utløpstemperatur til 600ºC d) Resirkulert toluen må varmes opp fra pumpens utløpstemperatur til 600ºC e) Varme må tilføres kokerne i de to destillasjonskolonnene, mest til Benzen/Toluen kolonnen, da denne separasjonen er vanskeligst og har størst strømningsmengder. Avkjøling: f) Utløps-strømmen fra reaktoren må avkjøles fra reaktor-temperatur (600ºC) til en temperatur hvor de aromatiske komponentene er kondensert (avhengig av trykket, men benzen koker ved 80ºC ved atmosfæriske betingelser). Trykket i flash-separatoren må ikke legges for lavt, da dette vil føre til store kompresjonsbehov for resirkuleringen. g) Kjøling må tilføres kondensatorene i de to destillasjonskolonnene, mest til Benzen / Toluen kolonnen (vanskeligst separasjon og størst strømningsmengder). Kraft: h) Det sentrale bidraget her er rekomprimeringsbehovet til resirkulasjons-strømmen, da fødegassen har høyt nok trykk. Pumpearbeid er neglisjerbart. Trondheim, Truls Gundersen Side 6 av 6